热管在解决高原冻土问题中的应用

广东石油化工学院机电工程学院
热能与动力工程专业
传热学小论文
题目：热管在解决高原冻土问题中的应用
班级：热动10-1
学号：25
姓名：梁嘉诚
成绩：
热管在解决高原冻土问题中的应用
摘要：我国是冻土大国,多年冻土面积约占国土总面积的2214%。

冻土由于其低温、易变、温度敏感等的特殊工程地质性质，修建其上的道路容易产生路基下沉、路面开裂、凹陷、冻胀翻浆等病害，严重影响着多年冻土区道路的稳定性和安全通行。

热管在解决高原冻土问题中的应用的研究在我国开始不久。

关键词：热管、冻土、高原
热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。

一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。

热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。

管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。

热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。

这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

热管在很多方面都有应用，热管在解决高原冻土的问题的应用是其中一个。

首先我们先来认识一下什么是冻土。

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。

冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。

因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。

正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。

我国在解决高原冻土最好的例子就是青藏高原铁路了，青藏铁路冻土路基工程中广泛应用的低温热管。

低温热管导冷的自身传热和结构条件实际上是热管在冻土区工作时的能量交换制约条件,主要是热管传热极限(指沸腾极限)和热管结构特征，其中包括工质充液量、蒸发段和冷凝段长度及管径。

冻土区应用的低温热管属于小温差传热类型，启动温差一般在1e左右。

热管蒸发段的主要传热机理是热传导和蒸发，当热管处于低热流量时，热量一部分通过工质传导到气-液分界面上，另外一部分则通过自然对流到达气-液分界面.随着热流量增大，与管壁接触的液体会在核化中心生成气泡，如果生成的气泡无法通过液池上升到其表面，则会在蒸发段形成一层气泡使蒸发段热阻剧增，影响热管正常工作。

由此可见，沸腾极限在小温差传热的低温热管中起到了关键控制作用。

影响沸腾极限的主要因素是液池热阻，而液池热阻又是由热管充液量决定的。

因此，热管的充液量是影响热管传热极限的决定因素，应根据热管总长度计算而定。

热管总热传输率研究表明，总热阻是热流和工质温度之间的热阻以及冷流温度和工质之间的热阻，这些热阻由冷凝器和蒸发器之间的长度决定。

在热管运行条件和热管尺寸确定的
情况下，蒸发器面积和冷凝器面积存在最优的冷热段面积比,简称为面积比。

已有研究表明：不同冷热段面积比的热管,在相同运行时刻，比值大的热管瞬时导冷量要大。

当面积比大于019时,导冷量随面积比的增大并不明显，其他条件相同时，管径大的热管导冷量大。

热管可以在多年冻土融化发生时使用。

在不连续的多年冻土区，可以安装热管来提高下部土体温度的连续性和稳定性。

不连续的多年冻土比连续的多年冻土温度高，因此对于热扰动更加敏感。

此外，弱冻结、非冻结土体可以被加固使其稳定并且可渗透的土体在热管的作用下变得不可渗透。

热管可以被用来作为结构的或者非结构的单元。

多年冻土区的开发经常导致融化和多年冻土的不稳定性。

在冻结地基中，气候变化和热扰动将引起预先冻结地基的融化和退化。

如果地基重新被冻结，反复的融化和冻结将会引起冻胀、融沉、沼泽化以及蠕动。

地基在几个冻融季节之后将被破坏。

使用热管技术可克服这些问题。

热管在寒区基础工程中的应用，解决了基础冻胀、融沉等热力过程中的许多工程问题，保障了多年冻土地基的稳定。

在下列工程中，热管也被用来冷却地基，防止冻胀和融沉，增加冻土地基的强度，保证冻土地基的稳定：①用来改善多年冻土分布区工业和民用建筑物土基、煤厂内部、低温储存库、桩基和基础、地上管道、蓄水池、输电线路，桥墩、涵洞等的修建和营运时的地基稳定；②用来防治道路、飞机起降跑道、堤坝等的修建与营运时的冻胀融沉问题；③用来建造“冻土墙”和防渗幕（5）、冰岛、冰道和冰渡口；④用来防治多年冻土的热融、热侵蚀、融冻泥流、冻胀等不良过程；⑤用来形成冻结壁，成为寒区存储危险性废弃物的天然容器壁；⑥用来在地下工程、采矿工程等需要进行人工冻结时形成高强度的冻结壁。

参考文献：
[1] 李训华,李训良,邹积宁. 冻土的形成、危害及防治措施. 黑龙江交通科技
[2] 郭宏新，原思成，张鲁新. 青藏铁路低温热管应用的能量基础条件. 东南大学学报
[3] 杨永平，魏庆朝，周顺华，张鲁新. 热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究. 岩土工程学报
[4] 冯广利. 我国冻土路基工程研究的过去、现在和未来. 冰川冻土。